光纤，作为现代高速和大容量通信的基础载体，它的直径与头发丝一般粗细，是互联世界的无形之“线”。随着近几十年通讯产业的飞速发展，普通的单多模光纤已不能满足各种产业的特殊需求，因此一系列具有复杂内部结构的光纤，例如保偏光纤、多芯光纤和光子晶体光纤等各种特种光纤应运而生，在民用和军用领域都不可或缺。

这些特种光纤种类繁多，其内部复杂的结构让它们的制造监测、光纤续接和微纳加工都受到了不同程度的限制。现在已有的方法例如直接端面视察、数字全息显微、光学断层扫描、偏振透镜效应以及高斯散斑成像都有一些特定的问题无法满足当前的需求。

为实现无损测量特种光纤的内部结构，南京大学的徐飞教授所在研究团队提出一种以贝塞尔结构光作为照明光源，从七芯光纤侧面透射成像的方法（如图1所示）。通过数字相关法验证了贝塞尔结构光照明相比传统方法的优势，同时与深度学习方法相结合，实现了高精度的七芯光纤内部结构测量。

图1：基于贝塞尔结构光的七芯光纤内部测量光路

相关研究成果以“Bessel-beam-based side-view measurement of 7-core fiber internal core distribution”为题发表在Light: Advanced Manufacturing。南京大学现工院的博士生詹鎏玮为该论文第一作者，徐飞教授为通讯作者。

本文提出一种基于结构光照明的特种光纤内部结构测量的方法。

仿真研究表明，贝塞尔光束作为无衍射结构光，它的自愈合特性可在散射介质中提供更长的聚焦深度，因此基于贝塞尔激光照明的成像散斑更少，纤芯图案更清晰，图像对比度更高。此外，贝塞尔光束在透射内部具有折射率变化的透明介质的离轴物体时，具有独特效果（如图2所示），会产生两条弯曲曲率不同的折射路径。

图2：单纤芯光纤多个旋转角度的成像仿真

基于以上两个特点，相比高斯激光照明，在成像不同旋转角度的特种光纤时，贝塞尔激光照明的图像能看清更多的纤芯（如图3所示）。经过数字相关法验证，基于贝塞尔照明的图像变化远快于高斯照明，并且测量精度更高。

图3：七芯光纤多个旋转角度的成像仿真

本文进一步使用深度学习的方法提升了测量的精度，拍摄的基于贝塞尔照明的图像经过深度学习模型处理后，可以直接输出预测的光纤旋转角度。此外，研究人员还采集了不同于建立训练数据库时使用的七芯光纤的贝塞尔照明图像，将其输入给训练好的深度学习模型，其预测结果同样取得了较好的精度与准确度，该结果表明深度学习方法具有很强的泛化能力，在实际应用中具有良好的鲁棒性。研究结果表明，基于贝塞尔结构光照明的方法在开发用于精确且无损测量多芯光纤和光子晶体光纤的纤芯分布的应用方面具有巨大潜力。

图4：CO₂激光特种光纤熔接系统

基于贝塞尔结构光的特种光纤照明方案，研究团队进一步研制并开发了一套高可靠的CO₂激光特种光纤熔接系统。通过高精度的光纤旋转角度识别与对接，实现了稳定的保偏光纤和多芯光纤等光纤的低损耗熔接。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2024.002